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碳纖維布加固修復混凝土裂縫
1、引言
碳纖維材料用于混凝土裂縫加固修補的研究始于80年代美、日等發達國家。目前，隨著我國經濟建設的逐步增長，已竣工的工程和在建工程，特別是公建工程隨房屋功能的需要的不同而改變，難以滿足當前規范使用的需求，結構需進行維修、加固，目前常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包鋼法、粘鋼加固法和碳纖維加固法。前3種的加固方法施工周期長、占地大、功效小。碳纖維布加固是目前設計單位加固設計中常用的一項，它具有強度高、施工速度快、功效高的特點。碳纖維布的抗拉強度能達到3400mpa以上，受力彈性模量在240000mpa以上,延伸率能達到2%，單位面積質量≦300g/㎡。
2、碳纖維布加固混凝土結構的技術特點
碳纖維布加固法是將抗拉強度極高的碳纖維用環氧樹脂預浸成為復合增強材料；用環氧樹脂粘結劑沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補強的結構上，形成一個新的復合體，使增強粘貼材料與原有鋼筋混凝同受力增大結構的抗裂或抗剪能力，提高結構的強度、剛度、抗裂性和延伸性，達到結構補強和改善結構受力的目的。與加大截面法、外包鋼法、粘鋼加固法相比碳纖維布加固具有明顯的優勢：具有節省空間，施工簡便，不需要現場固定設施，施工質量易保證，基本不增加結構尺寸及自重，耐腐蝕、耐久性能好等特點。另外，采用該工法，可大大提高建筑物的使用壽命，降低加固成本。因此，悍馬碳素纖維作為新型的補強材料，而備受青睞和關注。
（1）抗拉強度高，是同等截面鋼材的7-10倍，能達到提高結構的承載力，改善結構的受力性，達到加固目的。
（2）自身重量輕薄，密度只有普通鋼材的1/4，經加固后的原構件基本不會增大自身重量和尺寸。
（3）耐腐濁、耐久性好，可阻抗化學腐濁和惡劣環境、氣候變化。經研究實踐表明在外面的碳纖維布的壽命在30年左右。而表面涂抹水泥砂漿保護層或其他保護材料的碳纖維布壽命在50年左右。
（4）施工方便簡便、施工速度快、基本不占用場地、省時省力施工質量易保證。
（5）適用范圍廣，混凝土構件、鋼結構、木結構均可以加固。特別是對其他加固方法無法進行結構加固的結構碳纖維加固法都可以進行加固施工。像隧道、煙囪、受鹽腐的混凝土、橋梁等。可大幅度提高構件的承載力、抗震性能和耐久性能。
3、碳纖維布加固工程實例
3.1概述
廣場6#樓位于該縣老汽車站。一至七層為購物中心，建筑面積43760㎡，集購物、休閑、娛樂為一體。在工程施工至4層結構時由于業主招商引入某影業有限公司在a區6、7層增設電影院。由于影院功能需求影廳高度要達到9米以上，因此影廳內7層樓面取消，經設計院對a區重新設計驗算對4層以下及地下室柱、進行加固處理。
3.2加固方案
設計院提出2套加固方案
1、外包鋼加固法：梁部位加固在梁底粘貼6mm厚鋼板，柱加固在柱四角包8mm×l80 mm角鋼4mm×50厚綴板@250焊接灌漿。優點：加固材料可控性好，定期保養、油漆是鋼板長期不銹。缺點施工難度大，周期長，增加構件自重，鋼板與混凝土結構不易粘結。
2、碳纖維布加固法：選用碳纖維布的抗拉強度達到3400mpa以上，受力彈性模量在240000mpa以上,延伸率能達到2%，單位面積質量≦300g/㎡。優點：施工容易，重量輕、體積小，速度快，碳纖維布與混凝土結構易結合，壽命能達到30～50年。
考慮到時間就是效益，選用碳纖維布加固法進行加固處理，使工程能提前完工，商場提前開業為業主提前創造效益。
3.3施工工藝流程
施工準備→混凝土表面處理→找平材料配置→構件表面殘缺修補→底膠配置→涂刷底膠→浸漬樹脂膠配置→粘貼碳纖維布→表面養護。
3.4施工工藝要點
3.4．1、表面處理
1）、混凝土表面如出現剝落、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予剔除，對于較大面積的劣質層，在剔除后應用聚合物水泥砂漿進行修復。
2）、裂縫部位，如有必要應先進行封閉處理。
3）、用混凝土角磨機、砂輪（砂紙）等工具，去除混凝土表面的浮漿、油污等雜質，構件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸出部位要磨平，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（r³ 10mm）。
4)、用吹風機將混凝土表面清理干凈并保持干燥。使用高強度聚合物砂漿修補表面凹陷底部分。
3.4.2、構件表面殘缺系修補
1）、混凝土表面凹陷部位應用刮刀嵌刮整平膠料修補填平，模板接頭等出現高度差的部位應用整平膠料填補，盡量減少高差。
2）、轉角的處理，應用整平膠料將其修補為光滑的圓弧，半徑不小于10mm。
3）、整平膠料須固化后（固化時間視現場氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2小時），方可再進行下一道工序。
3．4.3、涂底膠
1）、按一定比例將主劑與固化劑先后置于容器中，用攪拌器攪拌均勻，根據現場實際氣溫決定用量，并嚴格控制使用時間，在規定時間內用完。
2）、用滾桶刷或毛刷將膠均勻涂抹于混凝土構件表面，厚度不超過0.4mm，并不得漏刷或有流淌、氣泡，等膠固化后（固化時間視現場氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2小時），再進行下一道工序。
3.4.4、碳纖維布粘貼
1）、粘貼碳纖維布的氣溫應在10℃以上，按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布，除非特殊要求，碳纖維布長度應在3m以內。
2）、按悍馬廠家提供的施工工藝規定配置浸漬膠，比重稱量正確裝入容器充分攪拌均勻，一次調和量應在規定時間內用完。用滾筒刷均勻涂抹于所粘貼部位，在搭接、拐角部位適當多涂抹一些。
3）、用特制光滑滾子在碳纖維布表面沿同一方向反復滾壓至膠料滲出碳纖維布外表面，以去除氣泡，使碳纖維布充分浸潤膠料。當需要搭接粘貼時，搭接長度應大于10cm。多層粘貼應重復以上步驟，待纖維表面指觸感干燥為宜，方可進行下一層碳纖維布的粘貼。
4）、在外一層碳纖維布的外表面均勻涂抹一層粘貼膠料。
3.4.5、養護
粘貼碳纖維布后，自然養護1-2小時達到初期固化，應保證固化期不受外界干擾和碰撞。碳纖維布粘貼后達到設計值自然養護應在14天左右。
4、加固效果
碳纖維布粘貼完成達到齡期后，請專業檢測部門對其與混凝土結合強度做了破壞性拉拔試驗，試驗結果拉拔強度超過設計要求，碳纖維布牢固的與混凝土粘結在一起，達到了設計要求。
5、結論
碳纖維布具有輕、薄、高強度、抗腐濁、耐老化等優點。很好的與混凝土結構形成一個共同體，使混凝土結構補強的抗拉強度達到一定的目的。
碳纖維布加固法與粘鋼加固法比較費用差不多，但悍馬碳纖維布加固施工方法簡單、速度快捷、功效高、施工場地占用少、工期短，在工期上具有明顯的優勢。
碳纖維布加固法效果好，強度高、適用范圍廣、施工質量容易保證、耐腐濁及耐久性好不受環境條件的影響，采用悍馬碳纖維布加固后基本不增加結構自身的尺寸和重量，能適應各種其它加固無法施工的結構，碳纖維加固在越來越多的領域廣泛應用。

詳解碳纖維布加固施工過程中不容小覷的4個細節
說到建筑物的加固施工，大家現在對其的了解都比較多，目前我們常用的加固方法有碳纖維加固法、混凝土加固法、粘鋼加固法等，不同的加固方法優勢不同，對施工環境也有不同的要求，在多種加固方法中，由于碳纖維加固方式具有很多優點，目前在建筑工程中的應用頻率也較高，碳纖維布是一種優質的加固材料，使用碳纖維布加固施工時，也有很多需要注意的細節問題，今天小編就來帶著大家一起詳細的了解下。
一、對施工環境的要求
雖然碳纖維材料能夠在惡劣的條件下施工，不過，為了保證加固施工的效果，我們對施工環境還是要重視起來的，一般情況下，對施工溫度的要求并不是太高，施工現場的溫度不能低于5度，否則需要進行加溫處理，如果施工溫度長期低于5度，需要暫時停止施工，以免影響到加固效果。
二、加固后的養護工作
自然養護的時間是24小時，要保證加固的部位不受外力的干擾和沖擊，如果是室外施工，還需要保證加固部位不能淋雨，施工結束后，加固部位養護5天的時間就可以投入使用了。
三、施工安全的具體要求
1、裁剪碳纖維布時，需要遠離明火和電源；
2、碳纖維布材料的儲存環境應該選擇在密封的環境中，切忌要遠離明火，還需要避免陽光的照射；
3、在配制結構膠時，需要在通風良好的環境中配制；
4、施工現場需要配備滅火器，以免發生安全事故時，能夠及時施救；
5、施工人員只要進場就要佩戴安全帽，穿著工作服，對于有煙癮的施工人員來說，在施工現場，不能攜帶打火機和進場，以免引發火災。
四、施工現場的詳細記錄
一般情況下，大型工程都有專門的記錄人員，為了避免施工材料的浪費使用，對于每道加固工序使用的加固材料數量都需要詳細記錄在冊，對于短缺的材料也需要記錄并及時上報。

在工程應用研究方面，重點研究碳纖維片材（碳纖維布/碳纖維板之總稱）。在90年代由國家課題支持開展碳纖維片材在混凝土結構（包括橋梁、隧道、水利設施和房建結構），取得了應用成果并得到廣泛推廣。2003年由中國工程建設標準化協會頒布了《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》（CECS146：2003），作為指導性文件提供了設計施工和質量檢驗依據。而碳纖維片材用于橋梁加固技術是目前應用較為普遍的技術之一，其十幾年來的應用為橋梁加固事業作出了歷史性的貢獻。
針對傳統橋梁加固改造工程中所存在不足，諸如：因采用的加固材料（如鋼板/纖維布）溫縮模量與混凝土鋼筋混凝土材料的溫縮模量差異較大，不能形成同步的溫縮變形狀態，影響加固耐久性；采用鋼材加固增加防銹處理等后期維護投人；以及采取增大截面法，結構面會留下不和諧修補“傷疤” 影響結構外觀和技術狀況評價等問題，碳纖維筋橋梁加固是一項新的應用外粘高性能碳纖維復合材料增強結構技術，主要形式包括“嵌人植筋加強法" 和“體外配筋擴大截面增強法"。碳纖維筋與高強聚合物砂漿的聯合使用充分利用了纖維棒筋的抗拉伸強度、聚合物砂漿的快凝強度和砂漿與鋼筋混凝土結構的溫縮模量的近似特性，既可提升鋼筋混凝土結構的承載能力，也可充分利用新材料環境特征，達到維修、加固、利用與修舊翻新的綜合作用。
2.碳纖維復合筋的性能
碳纖維復合筋為棒型材料，主要成分為由碳纖維，通過特殊技術處理與樹脂高溫固化而成。碳纖維分子結構界于石墨和金剛石之間，含碳體積分數在0.9以上。碳纖維根據原絲類型可分為聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基和粘膠基3種，由原絲纖維加熱至高溫后除雜獲得。根據碳纖維原絲類型可分為聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基和粘膠基3 種。目前,PAN碳纖維按力學性能又分為高模量超高模量、高強度和超高強度4種；按用途可分為宇航級小絲束碳纖維和工業級大絲束碳纖維，其中小絲束以1K、3K、6K、12K和24K（1 K為1 000根長絲單位重量），大絲束為48K以上。
2.1碳纖維的優勢
碳纖維具有較強的防水和防滲漏的特點，具有耐酸、耐堿的耐腐蝕性，阻燃性和良好的力學性能和良好的導電導熱性，因此也在建筑工程和其他領域被廣泛運用。據投資顧問行業研究中心相關統計數據顯示,目前,世界碳纖維的需求量將以每年約13%的速度增長。由此可見，碳纖維的使用將越來越廣泛。
2.2碳纖維復合筋的特性
碳纖維復合筋的主要技術指標及其與鋼筋對比如下表：
表1 碳纖維復合筋的技術指標及其與鋼筋的對比表
名稱
碳纖維復合筋
鋼筋
密度（g/cm3）
1.5
7.9
抗拉強度（MPa）
≥1800
≥500
彈性模量（GPa）
≥140
≥200
線膨脹系數10-6/℃
0.6
12
從表格中可以看出，碳纖維復合筋的密度遠遠小于鋼筋，同樣體積的材料，重量上碳纖維復合筋的優勢很大；碳纖維復合筋抗拉強度也大于鋼筋，其熱膨脹系數較低，就說明在相同的溫度下，膨脹的程度會低很多。
碳纖維復合筋的主要性能：（1）質量輕（相當于鋼密度的1/5）；（2）強度高（抗拉強度是鋼筋的4到5倍）；（3）密度小（1.5g/cm3）；（4）彈性模量高（彈性回復100％）；（5）熱膨脹系數小，耐高溫和低溫性好；（6）耐酸性好，對酸呈惰性，耐濃酸侵蝕；（7）與砂漿附著力強。
3. 聚合物砂漿特點
聚合物砂漿是由水泥、速凝添加劑、粉末狀聚合物、碎石與水等混合拌制而成，其粘結強度高，熱膨脹系數與混凝土類似。
聚合物砂漿的主要特點：（1 )黏附性好，與原結構舊混凝土表面黏附良好，使纖維筋與原結構共同受力；（2）穩定性好，能有效抑制有害物質的滲透和擴散；（3）和易性好，利用快捷、速凝的功能特點，修繕結構腐蝕表面，達到修舊如新。聚合物砂漿可以維修各種老化受損的混凝土表面。
4. 國內橋梁加固現狀
橋梁作為公路交通的關鍵設施，具有跨越深谷、承受運載、通航泄洪、保證安全、連接路網的重要功能。目前，我國各級公路上營運的橋梁總數達 60余萬座。
按橋梁設計技術標準對大中小類型的橋梁平均使用壽命測算，橋梁平均設計使用壽命在50年左右。全國年均需要改造翻新的橋梁約有10 000 余座，合計約60余萬延米。以二級路為例，每年國家需要投人的橋梁改造費用上百億幣，這是一筆巨大的投資。根據近10年危橋改造的統計數據表明，現有重交通組成作用下的橋梁使用壽命平均在33年之內，部分路段橋梁的使用壽命甚至更短。如何更有效的延長橋梁的使用壽命、如何更有效的提高危險橋梁的改造利用技術、如何將加固后的橋梁變得更持久，是當前橋梁管理中面臨且急需解決的問題。
面對當前大規模的橋梁改造任務，各級橋梁管理部門都十分重視其處理效果，近年來積極研究和尋求有效的維修加固新技術，但這并不是一件容易的事情，目前在橋梁加固改造中常采用的技術還是十幾年前的研究成果，主要方法如：“鋼板加固法”、“擴大截面加固法”、“體外（內）預應力加固法”、“碳纖維布加固法”等，這些材料技術為輕交通狀態下的橋梁加固做出過貢獻。隨著近幾年重交通的發展和擴散，現有橋梁的加固材料和工藝技術在適應性方面面臨巨大挑戰。一方面是目前所使用的加固材料（如鋼板/纖維布）其溫縮模量與混凝土鋼筋混凝土材料的溫縮模量差異較大，造成加固后的補強材料與原結構的溫縮變形差異化，形成不同步的溫縮變形狀態，影響加固耐久；另一方面當前加固中為提高結構受力的高強材料仍然采用鋼材，因鋼材有防銹處理的要求，這樣就增大了后期的維護投人，在結構層面上需要增設3 cm以上厚度的防銹保護，造成自重增加，影響使用效果；此外，在增大截面法中，因材料強度因素，需要增厚自重增加，影響結構受力和加固效果。現有加固材料和工藝中即便是解決了受力要求，但施工后的結構面會留下不和諧修補“傷疤”，影響結構外觀和技術狀況評價。
由此可見，研究和選擇一種高強、防腐蝕、經濟、施工方便，且與鋼筋混凝土材料溫縮模量相一致的維修加固材料，達到理想的加固改造，且能提高橋梁的承載能力是十分迫切和必要的工作。
首先原構件混凝土表面去除表面浮漿、油污等雜質，并對混凝土構件加固部位進行鑿毛處理。對加固表面缺損的坑洼部位采用高強聚合物砂漿預先修補，待混凝土表面干燥后涂抹界面劑。隨后安裝錨具及碳纖維復合筋，利用錨具固定碳纖維復合筋，碳纖維復合筋應緊貼加固面，壓條及螺栓均應采用不銹材料；安裝完后，噴涂高強聚合物砂漿，砂漿厚度不小于20MM，施工溫度應在10℃-35℃，后對表面進行養護.

碳纖維布加固之大偏心受壓構件
在鋼筋混凝土建筑及橋梁中，偏疼受壓構件的使用較多，如梁橋中的墩身、柱根底等。這類結構(構件)的一個一起特點是正截面上效果著軸心壓力和彎矩。
偏疼受壓構件由于使用較多，在鋼筋混凝土中也是容易被損壞的構件，一般情況下，偏疼受壓構件的損壞特征如下：
當相對偏疼距較大，且受拉鋼筋配筋率較小時，偏疼受壓構件的損壞是由于受拉鋼筋首先到達屈從強度而導致受壓混凝土壓碎，這一損壞稱為大偏疼受壓損壞。其接近損壞時有顯著的征兆，橫向裂縫展開顯著，構件的承載力取決于受拉鋼筋的強度和數量。
當相對偏疼距較小，或雖然相對偏疼距較大，但構件配置的受拉鋼筋較多時，就有可能首先使受壓區混凝土先被壓碎。在通常情況下，接近軸力效果一側的混凝土先被壓壞，受壓鋼筋的應力也能到達抗壓規劃強度；而離軸向力較遠一側的鋼筋仍可能受拉但并未到達屈從，但也可能仍處于受壓狀況。臨損壞時，受壓區高度略有添加，損壞時無顯著征兆。這種損壞屬于小偏疼受壓損壞。
在目前的鋼筋混凝土加固辦法中，用張貼碳纖維布的辦法加固大偏疼受壓構件使用廣泛。該辦法是經過配套碳纖維膠將碳纖維布張貼于構件之上，到達加固補強的效果。選用碳纖維布加固大偏疼受壓構件需要注意的是：
當選用碳纖維布加固大偏疼受壓的鋼筋混凝土柱時，應將碳纖維布張貼于構件受拉區邊際混凝土外表，且纖維方向應與柱的縱軸線方向共同。這是由于碳纖維布不能接受壓力，只能考慮其抗拉效果，因而標準規定將碳纖維布的受力辦法規劃成僅接受拉應力效果。
別的，在大偏疼受壓構件加固核算中，對碳纖維布之所以不考慮強度利用系數，是由于在實踐工程中絕大多數偏疼受壓構件均處于受壓狀況。因而，在承載能力極限狀況下，受拉側的拉應變是從受壓側應變轉化過來的，故不存在拉應變滯后的問題，亦即以為碳纖維布的抗拉強度能得到充分發揮。